愛因斯坦百年預(yù)言成真：天文學(xué)家首次“看見”黑洞扭曲時(shí)空

天文學(xué)家首次直接觀測(cè)到一個(gè)快速自旋的黑洞正在“拖拽”周圍的時(shí)空，使其出現(xiàn)可測(cè)量的周期性擺動(dòng)，這一現(xiàn)象印證了愛因斯坦廣義相對(duì)論在一百多年前作出的關(guān)鍵預(yù)言。這一突破來自對(duì)一起恒星被黑洞撕裂的潮汐瓦解事件的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，為科學(xué)界研究黑洞自轉(zhuǎn)、吸積盤結(jié)構(gòu)以及噴流形成機(jī)制提供了全新窗口。

該項(xiàng)研究由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)牽頭，卡迪夫大學(xué)等多家機(jī)構(gòu)參與，觀測(cè)目標(biāo)為代號(hào) AT2020afhd 的潮汐瓦解事件——一顆恒星闖入超大質(zhì)量黑洞的“死亡半徑”后被撕碎，其殘骸形成明亮的吸積盤，并噴射出接近光速的物質(zhì)噴流。團(tuán)隊(duì)通過分析該事件發(fā)出的 X 射線與射電信號(hào)，發(fā)現(xiàn)吸積盤和噴流都在發(fā)生同步擺動(dòng)，且以約 20 天為一周期，顯示出一種穩(wěn)定的協(xié)同“搖擺”節(jié)律。

研究指出，這種擺動(dòng)正是廣義相對(duì)論預(yù)言的“倫斯-蒂林進(jìn)動(dòng)”（Lense–Thirring precession），又稱“參考系拖拽效應(yīng)”：旋轉(zhuǎn)的黑洞會(huì)扭曲并拖拽周圍的時(shí)空，讓鄰近物質(zhì)的軌道方向緩慢改變。此前，科學(xué)家主要通過間接方式推斷這一效應(yīng)的存在，而此次是首次在黑洞吸積盤—噴流體系中直接捕捉到盤與噴流共同進(jìn)動(dòng)的清晰信號(hào)。

在這起事件中，被撕裂恒星的物質(zhì)迅速落入黑洞周圍，構(gòu)成高速旋轉(zhuǎn)的吸積盤，同時(shí)驅(qū)動(dòng)沿黑洞自轉(zhuǎn)軸方向噴出的高能噴流。觀測(cè)顯示，盤與噴流并非穩(wěn)定指向單一方向，而是在空間中整體“點(diǎn)頭”擺動(dòng)，這種協(xié)同變化難以用傳統(tǒng)能量釋放起伏解釋，卻與時(shí)空被拖拽導(dǎo)致的進(jìn)動(dòng)特征高度吻合。

論文合作者、卡迪夫大學(xué)物理與天文學(xué)院的 Cosimo Inserra 表示，這項(xiàng)研究給出了迄今最有力的倫斯-蒂林進(jìn)動(dòng)證據(jù)，“就像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的陀螺在水中攪動(dòng)出漩渦一樣，黑洞在拖拽它周圍的時(shí)空”。他指出，與以往射電信號(hào)較為平穩(wěn)的潮汐瓦解事件不同，AT2020afhd 的射電信號(hào)存在短期變化，無法簡(jiǎn)單歸因于能量輸出波動(dòng)，進(jìn)一步強(qiáng)化了時(shí)空拖拽這一解釋。

為識(shí)別這一效應(yīng)，科研團(tuán)隊(duì)綜合利用了多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，包括 X 射線波段的空間望遠(yuǎn)鏡和地面卡爾·詹斯基甚大天線陣（VLA）的射電觀測(cè)，同時(shí)對(duì)事件的電磁譜進(jìn)行了詳細(xì)分析。光譜研究幫助科學(xué)家厘清吸積物質(zhì)的成分與結(jié)構(gòu)，從而在理論模型中檢驗(yàn)盤—噴流系統(tǒng)的幾何構(gòu)型與動(dòng)力學(xué)行為是否與框架拖拽預(yù)言相符。

研究人員強(qiáng)調(diào)，這一發(fā)現(xiàn)不僅再一次驗(yàn)證了廣義相對(duì)論在極端引力環(huán)境下的有效性，還為測(cè)量黑洞自旋、理解物質(zhì)如何落入黑洞以及高能噴流如何形成提供了新工具。類似 AT2020afhd 這樣的潮汐瓦解事件，未來有望成為系統(tǒng)探測(cè)黑洞“時(shí)空漩渦”的天然實(shí)驗(yàn)室，幫助人類進(jìn)一步描繪宇宙中最極端天體的真實(shí)面貌。

相關(guān)成果已發(fā)表于 2025 年 12 月 10 日的《Science Advances》雜志，論文題為《Detection of disk-jet coprecession in a tidal disruption event》（潮汐瓦解事件中盤–噴流協(xié)同進(jìn)動(dòng)的探測(cè)）。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，隨著新一代多波段巡天與高靈敏度望遠(yuǎn)鏡投入運(yùn)行，人類有望在更多潮汐瓦解事件中捕捉到類似信號(hào)，系統(tǒng)性地描繪黑洞拖拽時(shí)空的“引力渦旋”。

編譯自/ScitechDaily